Очистка сточных вод методом жидкостной экстрации

Экстракцией называют процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твёрдых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). В основе метода жидкостной экстракции лежит массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограниченно растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество. Для повышения скорости процесса исходный раствор (сточную воду) и экстрагент приводят в тесный контакт. В результате взаимодействия фаз получается экстракт – раствор извлекаемого компонента в экстрагенте, и рафинат – остаточно исходный раствор(очищенная сточная вода), из которого с той или иной степени полноты удалён экстрагируемый компонент.

Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяют друг от друга отстаивание, центрифугированием или другим механическим способом. После этого производят извлечение экстрагируемого вещества из экстракта с целью возврата экстрагента в процесс экстракции путём реэкстракции другим растворителем, а также выпаривание, дистилляцией, химическим взаимодействием или осаждением.

В процессе очистки сточных вод от ионов тяжёлых металлов методом жидкостной экстракции металлы переходят в органическую фазу, а за тем в результате реэкстракции – из органической фазы (экстракт) в водный раствор[27]. Таким образом достигается очистка сточных вод и концентрирование металла, то есть создаются условия для его регенерации (например, электролизом).

Органическая фаза содержит экстрагент и органическую жидкость – растворитель экстрагента (керосин, бензол, хлороформ, толуол и т.д.). В качестве экстрагентов используют органические кислоты, эфиры, спирты и др., а реэкстрагентов – водные растворы неорганических кислот и оснований. Извлечение металлов из водной в органическую фазу проводят тремя способами [1]:

катионообменной экстракцией – то есть обменом извлекаемого катиона металла на катион экстрагента;

анионообменной экстракцией – то есть обменом металлосодержащего аниона на анион экстрагента;

координационной экстракцией, при которой образуется кардиационная связь молекулы или иона экстрагента непосредственно с атомом (ионом) реэкстрагируемого металалла.

Катионообменая экстракция в общем виде описывается уравнением:

Me^z+_вод. + zHR_орг. = MeR_{z орг} + zH⁺ ,

где Me – металл валентностью z; R – кислотный остаток органической кислоты.

Наиболее широко применяются следующие катионообменные экстрагенты: алифатические кислоты типа RCOOH с числом углеродов атомов в радикале от 7 до 9 и нафтеновые кислоты, которые получают из сырой нефти.

Катиобменнае экстракция может протекать по двум механизмам:

- с образованием простых органических солей металлов,

- с образованием внутрикомплексных соединений экстрагента с ионами металлов.

В процессах анионообменной экстракции используют первичные, вторичные и третичные амины. При обработке кислотой соли аминов могут обменивать анион кислоты на металлосодержащие анионы. К нейтральным экстрагентамотносятся спирты, кетоны, простые и сложные эфиры и др. При содержании в сточной воде нескольких примесей целесообразно извлекать экстракцией сначала один из компонентов – наиболее ценной или токсичной, а затем, если это необходимо, другой и т.д.

Для очистки сточных вод наиболее часто применяют ступенчато-противоточный и непрерывно-противоточный методы экстракции.

При ступенчато-противоточной экстракции применяются установки, каждая ступень которых состоит из смесителя и сепаратора для отстойного разделения водной и органической жидкостей. Свежий экстрагент и сточная вода поступают из противоположных сторон и по ступеням перемещяются на встречу друг другу, так что на последней ступени почти чистая вода встречается со свежим экстрагентом, а неочищенная сточная вода контактирует с концентрированным раствором экстрагируемого вещества в экстрагенте. Разделение проводят в трёхкамерных отстойниках: смесь поступает в среднюю камеру, где она расслаивается. Лёгкая жидкость перетекает в боковую камеру по переточному патрубку в верхней части перегородки, тяжёлая – в другую боковую камеру через нижний переточный патрубок.

При непрерывных противоточных экстракции применяют колонны различных конструкций, в которых вода и экстрагент перемещаются на встречу друг другу и разделяются на выходе из колонны.

Процесс экстракции осуществляется в одном аппарате, при этом экстрагент выполняет роль не накопителя целевого продукта, а переносчика ионов из одной секции аппарата в другую, что требует меньшей разовой загрузки экстрагента и меньшей его концентрации. Экстракция производится в аппаратах различной конструкции: распылительных, насадочных, тарельчатых колонках, а также в центробежных экстракторах. Наиболее эффективны центробежные экстракторы, отличающиеся высокой производительностью и уникальными возможностями для разделения фаз.

Продолжительность прерывания воды в камере 15-20 мин.